Электрокардиограф на усилителе AD620

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Институт нефти и газа

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу: Электроника и МП техника

на тему: электрокардиограф на усилителе AD620

Выполнил: ст. гр. БМС-07-1

Сенькин Владимир

Проверил:

Мусихин С.А.

Тюмень 2010г.

Введение

Принципиальная схема биоусилителя и устройства сопряжения его с ПК приведена на рисунке 1.

Прибор позволяет поочередно регистрировать до семи ЭКГ отведений (шесть отведений от конечностей и одно грудное).

Прибор содержит усилитель биопотенциалов и коммутатор ЭКГ отведений, с электронным управлением. Усилитель выполнен на двух ОУ AD620 и AD 705, разработанных для использования в биомедицинской аппаратуре. Входной коммутатор, обеспечивает прохождение биопотенциалов сердца на вход усилителя в соответствии с выбранным ЭКГ отведением.

Рис.1. схема ЭКГ

Технические характеристики

электрокардиограф усилитель реле биопотенциал

Технические характеристики прибора следующие: 1вх = 8 рА; Иш = 1 мкВ; Явх = 10 ГОм; Кус = 103; КОССФ. =110Дб; разрядность выходного АЦП - 12.

Коммутатор выполнен на герконовых реле К1-К9, сигналы управляющие их работой формируются микросхемой ПЗУ DD6, в соответствии с кодом, поступающим с выводов 11-14 счетчика DD4.2. Дешифратор DD7 преобразует выходной код счетчика в сигналы управления светодиодными индикаторами, служащим для отображения номера выбранного ЭКГ отведения. Подача импульсов контрольного милливольта, на усилитель обеспечивается во время индикации нулевого номера кардиографического отведения. Импульсы снимаются с генератора на логических элементах DD3.1-

DD3.4 и через резистивный делитель R12, R13 поступают на соответствующие контакты реле. При выходном коде счетчика DD4.2 соответствующему восьмому отведению, входы усилителя DA1 заземляются.

К прибору может быть подключено до пяти электродов (трех для отведений от конечностей, одного для грудных отведений и одного заземляющего). Переключение между ЭКГ отведениями производиться либо вручную, при нажатии на кнопку SB1, либо автоматически с интервалом несколько секунд, при замыкании переключателя SA1. Уменьшить число перебираемых отведений, можно установив переключатель SA2, в нижнее по схеме положение. В этом случае возможна регистрация только трех основных ЭКГ отведений от конечностей.

Конструктивно усилитель биопотенциалов и коммутатор выполнены на двух печатных платах. Для усилителя использован односторонний фольгинированный стеклотекстолит толщиной 2 мм, а для коммутатора двусторонний, размеры плат 60х50 и 130х50 мм соответственно. Что бы уменьшить входные токи утечки, разводка проводников на выводы контактов реле выполнена навесным монтажом. Отверстия под них рассверлены так, чтобы обеспечивался некоторый зазор между платой. Для уменьшения внешних наводок, длинна проводников соединяющих вход усилителя с коммутатором, должна быть минимальной. Необходимо также обеспечить надежное экранирование входного блока. Электроды соединяются с входом прибора с помощью экранированного провода длинной около двух метров. Во избежание поражения электрическим током в приборе необходимо предусмотреть надежную защиту, исключающую попадание напряжения на входные электроды. Категорически запрещается подключение прибора к устройствам с сетевым питанием, без гальванического разделения.

Электроды для отведений от конечностей могут быть выполнены в виде металлических пластин размерами 50х35 мм, материалом для их изготовления может служить свинец. Для грудных отведений используются цилиндрические электроды диаметром до 30 мм.

Регистрация сигнала

Регистрация кардиограммы должна производиться в помещении удаленном от источников электрических помех. Расстояние между электродами и проводами электросети должно составлять не менее 1.5-2 м. Запись ЭКГ желательно производить в положении лежа на спине, это позволяет добиться максимального расслабления мышц и улучшить условия регистрации.

Пластинчатые электроды накладывают на внутреннюю поверхность голеней и предплечий, в нижней их трети, и фиксируют с помощью резиновых лент. Грудной электрод устанавливают, используя резиновую грушу - присоску. Для улучшения качества ЭКГ и уменьшения наводных токов следует обеспечить хороший контакт электродов с кожей. Для этого в местах наложения электродов необходимо предварительно обезжирить кожу спиртом, и обильно смочить ее 5-10% раствором натрия хлорида, или, в крайнем случае, обычным мыльным раствором. Наилучшим вариантом будет использование специальной электродной пасты.

Перед началом регистрации ЭКГ, прибор калибруют подачей контрольного милливольта. Для этого установив на индикаторе значение «0» добиваются нужного усиления сигнала. При использовании самопишущих регистраторов стандартным считается отклонение пера на 10 мм на 1 мв входного напряжения, скорость движения ленты обычно выбирают 50 мм в секунду.

Обработка сигнала

Обработку сигнала снимаемого с прибора удобно производить с помощью ПК, используя соответствующее программное обеспечение. В связи с тем, что кардиосигнал имеет достаточно низкую частоту, для его оцифровки можно использовать недорогие медленные АЦП. Обычная звуковая карта для этих целей не пригодна, именно по причине низкой частоты кардиосигнала. Иногда для передачи медленно изменяющихся биосигналов, через тракты более высокочастотных устройств используются модуляторы сигналов. В этом случае после передачи сигнала, для восстановления его исходной формы, сигнал необходимо подвергнуть обратному преобразованию (демодуляции). Подобные методики широко применяются в медицинской практике для записи кардиосигналов на магнитофон, передачи его по телефону и т. п.

Усилители

Рассмотрены вопросы стабилизации режима усилителей по постоянному току и, в частности, описываемых измерительных усилителей серии AD62x и нового усилителя AD8225.

Для усилительных устройств существенным является стабильность их режима по постоянному току [1], при котором обеспечиваются линейность характеристик и, вообще, способность устройств выполнять свои усилительные функции.

Входы большинства операционных усилителей и других устройств являются выводами баз биполярных транзисторов. Примерами могут быть измерительный усилитель AD620 фирмы Analog Devices [3], микросхемы для измерения электрической энергии [4] и другие устройства.

Среди усилительных устройств существенное место занимают измерительные (инструментальные) усилители, предназначенные для измерительных систем. Источниками входных сигналов могут быть датчики для измерения физических величин -- температуры, давления, ускорений и др., датчики сигналов в электрокардиографии и так далее. Измерительные усилители (в частности, серии AD62x фирмы Analog Devices) обладают следующими особенностями: вход - дифференциальный, с высоким входным сопротивлением; стабильный коэффициент усиления; высокая равномерность АЧХ в заданной полосе частот (обычно от 0 Гц); высокая линейность амплитудной характеристики; низкий уровень шума. Отметим, что для измерительных усилителей стабилизация режима важна не только для их функционирования в линейном режиме, но и по той причине, что их частотный диапазон начинается от 0 Гц, и нестабильность, например, выходного напряжения будет проявляться как погрешность. Поэтому к измерительным усилителям, равно как и к другим с частотным диапазоном от 0 Гц, предъявляются более жёсткие требования по стабилизации режима, чем к другим усилителям.

Для измерительных усилителей за основу обычно берётся одна из двух схем, приведённых на рис. 2а,б. Первая из них - на трёх, вторая - на двух операционных усилителях. Входным является дифференциальный (разностный) сигнал

Uвх = Uвх1 - Uвх2, (8)

где Uвх1 и Uвх2 - сигналы на первом (неинвертирующем) и втором (инвертирующем) входах усилителя. Дифференциальный вход не требует того, чтобы входной сигнал был симметричным. Так, например, если подать сигнал на первый вход (при закороченном втором), дифференциальная составляющая, согласно (8), будет ему равна. Применение дифференциального входа с двухпроводной линией для входного сигнала обеспечивает подавление синфазной сетевой наводки. Отметим, что в усилителе, например AD620, подавление синфазного сигнала (подаваемого на оба входа) составляет 90…130 дБ - в зависимости от коэффициента передачи, выставляемого в пределах от 1 до 1000.

Коэффициент передачи первого из усилителей (рис. 2а):

K = Uвых/Uвх = [1 + (R1 + R2)/Rобр]R5/R3 (9)

при условии R5/R3 = R6/R4. Дополнительно при условии R1 = R2 и R3 = R5 выражение (9) упрощается: K = 1 + 2R1/Rобр. Для второго усилителя (рис. 2б) аналогично:

K = Uвых/Uвх = 1 + (R1 + R4)/Rобр + R4/R3

при условии R1/R4 = R2/R3. Дополнительно при R1 = R4, R2 = R3:

K = 1 + 2R1/Rобр + R4/R3.

Рисунок 2. Схемы измерительных усилителей на трёх (а) и двух (б) операционных усилителях

В основу AD620 положена схема усилителя на рис. 2а. В отличие от неё, входной каскад AD620, упрощённая схема которого приведена на рис. 11, дополнен транзисторами T1 и T2 и токозадающими элементами (источниками тока) IБ1', IК1', IЭ1', IБ2', IК2' и IЭ2', обеспечивающими токовый режим транзисторов. Кроме того, на входе усилителя имеются цепи защиты от входных перегрузок, не показанные на рис. 2. Все элементы усилителя входят в состав микросхемы, кроме резистора Rобр, который является внешним (для возможности переключения коэффициента усиления).

Входной каскад AD620 можно рассматривать в качестве балансного (благодаря общему для T1 и T2 резистору Rобр) транзисторного усилителя с усиленной (в операционных усилителях A1 и A2) коллекторно-эмиттерной отрицательной обратной связью. Указанное включение используется также в усилителях типа "Current Feedback", рассмотренных в [10]. Коэффициент усиления определяется цепями обратной связи, в связи с чем введение транзисторов в состав усилителя не изменяет выражения (9), которым определяется коэффициент для AD620. Для обеспечения нормальной работы AD620 важно правильное подключение его входной цепи, при котором обеспечивалась бы стабилизация режима усилителя. Это может быть низкоомный резистивный датчик, с которым усилитель имеет гальваническую связь. Другой вариант подключения обоих входов усилителя - с разделительными конденсаторами, но с обязательной "привязкой" обоих входов (баз транзисторов T1 и T2) к "земле" через резисторы RБ1 и RБ2, как показано на рис. 3.

Рисунок 3. Упрощённая схема входного каскада измерительного усилителя AD620

Рассмотрим "механизм" стабилизации режима входного каскада. Токовый режим транзисторов входного каскада определяется указанными выше токозадающими элементами (источниками тока), а также построением его схемы с цепями стабилизации. Отметим, что токозадающий элемент - это двухполюсник, характеризуемый постоянным выходным током независимо от приложенного напряжения (в "рабочих" пределах) и имеющий, соответственно, высокое динамическое сопротивление. На рис. 4 показаны токи в одном плече входного каскада, причём на рис. 4а-в - для разных коэффициентов усиления транзистора по постоянному току h21Э и при равенстве токов источников IK' и IЭ', а на рис. 4г - при их неравенстве. Коллекторный ток транзистора определяется током источника IК' в предположении, что ток инвертирующего входа операционного усилителя (A1 и A2 на рис.3) равен нулю. Проставленные на рис. 4 численные значения токов и h21Э являются условными и приведены для наглядности в качестве примера.

Рисунок 4. Распределение токов в цепях входного транзистора с разными значениями h21Э и IЭ'

На рис. 4а ток коллектора определяется источником IK' и равен IK = 10 мкА. Ток базы, согласно (4), при h21Э = 100 и IКБ0 > 0 равен 0,1 мкА, а ток эмиттера при этом равен IЭ = IK + IБ = 10,1 мкА. Но в цепи эмиттера - источник IЭ' с током 10 мкА, в связи с чем избыточная разность токов, равная 0,1 мкА, потечёт, как показано на рис. 4а, в относительно низкоомную цепь обратной связи и, далее, на выходы усилителей A1 и A2. В цепи базы включен источник IБ', ток которого как раз равен требуемому току базы 0,1 мкА. Это - "номинальный" случай, соответствующий "компенсированному" режиму усилителя. Ток источника будет полностью использован базой транзистора, а в резисторе RБ ток будет отсутствовать. Соответственно, потенциал базы, "привязанный" через резистор RБ к нулевому потенциалу "земли", также будет равен нулю. Что касается потенциала коллектора, который соединён с инвертирующим входом A1 (A2), повторяющим потенциал неинвертирующего входа, то он будет равен E1 (E2), показанному на рис. 3. Потенциал эмиттера будет отличаться от потенциала базы (в данном случае, равного нулю) на величину напряжения "база-эмиттер", определяемого входной вольтамперной характеристикой транзистора, равную десятым долям вольта.

На рис. 4б коэффициент усиления транзистора h21Э = 200 (его увеличение может произойти, например, при повышении температуры). В результате, ток базы при IK' = 10 мкА (условно будем считать, как и в первом случае, что IКБ0 > 0) будет равен IБ = 0,05 мкА, а избыток тока, обеспечиваемый источником IБ', замкнётся через резистор RБ. Потенциал базы, определяемый падением напряжения на RБ, будет равен EБ = 50 мВ. На рис. 4в показан другой случай - с h21Э = 50, при котором ток базы будет равен 0,2 мкА. Его недостаток при токе источника 0,1 мкА, в отличие от избытка на рис. 4б, будет компенсирован током через резистор RБ (другого направления, по сравнению с предыдущим случаем). Потенциал базы при этом станет отрицательным и равным EБ = -100 мВ.

На рис. 4г, в отличие от рис. 4а, ток источника в цепи эмиттера показан равным 11 мкА, а ток эмиттера, как и в схеме на рис. 4а, равен 10,1 мкА. В результате, разностный ток 0,9 мкА, уже другого направления, замкнётся через цепь обратной связи и усилитель A1 (A2). В рассмотренных четырёх случаях ток коллектора равен 10 мкА, напряжение на коллекторе - около E1 (E2), а напряжение на базе - в пределах от 50 до -100 мВ. На рис. 4а-г ток IКБ0 условно показан равным нулю. В соответствии с этим, ток базы положителен, но разной величины, в зависимости от h21Э. Реально, при наличии IКБ0, ток базы может быть и отрицательным.

В соответствии с рассмотренным, резистор RБ (RБ1, RБ2), показанный на рис. 4, играет существенную роль в обеспечении стабилизации режима усилителя. Рассмотренный "механизм" формирования "режимных" токов и напряжений в цепях усилителя может быть полезным читателям для анализа ими других схем, в которых должна обеспечиваться стабилизация режима.

Литература

Голуб В.С. Расчёт стабилизации режима полупроводниковых усилителей. Киев: Технiка, 1977.

Ши Р.Ф. Усилители звуковой частоты на полупроводниковых триодах / Пер. с англ. под ред. И.Г. Мамонкина. М.: ИЛ, 1957.

Kitchin C., Counts L., A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers. Analog Devices, 2000.

Infineon Technologies' Data Sheets: BC807W, BC808W (Nov. 29, 2001); BC817W, BC818W (Oct. 20, 1999).

Справочник по технике магнитной записи / Под ред. О.В. Порицкого, Е.Н. Травникова. Киев: Технiка, 1981. с. 252.

Голуб В. Операционные усилители типа “Current Feedback” // Радиохобби. 2000. № 4.

Энрик Компании-Бош, Экарт Хартманн «Наука и техника» -2004

Размещено на Allbest.ru